CN1157563C - 燃气轮机燃烧器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机燃烧器，有燃烧室，燃料和空气供给到该燃烧室内，其中，燃料和空气作为大量同轴射流供给到所述燃烧室内。

Description

燃气轮机燃烧器及其操作方法
发明的背景技术
发明领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器及其操作方法。
现有技术的说明
本发明特别涉及低NOx型燃气轮机燃烧器，该燃气轮机燃烧器排出低量的氮氧化物。该现有技术在日本专利申请公开平05-172331中公开。
在燃气轮机燃烧器中，因为从启动到额定负载状态的调节比很大，因此广泛采用直接将燃料喷入燃烧室内的扩散燃烧系统，以便保证燃烧在很宽的区域内稳定。还可以采用预混合燃烧系统。
在所述现有技术中，扩散燃烧系统有高NOx量的问题。预混合燃烧系统也有在启动操作和部分负载操作时的燃烧稳定和火焰稳定的问题，该燃烧稳定问题例如回火。在实际操作中，优选是同时解决这些问题。
发明简介
本发明的主要目的是提供一种燃气轮机燃烧器，该燃烧器的NOx排出量较低，且燃烧稳定性好，同时还提供该燃气轮机燃烧器的操作方法。
本发明提供了一种燃气轮机燃烧器，有燃烧室，燃料和空气供给到该燃烧室内，其中，燃料和空气作为大量同轴射流供给到所述燃烧室内，每一同轴射流由一燃料射流和一与燃料射流同轴的空气射流组成。
而且，本发明的燃气轮机燃烧器的操作方法是操作具有燃烧室的燃气轮机燃烧器的方法，燃料和空气供给到该燃烧室内，其中，燃料和空气作为大量同轴射流供给到所述燃烧室内。
附图的简要说明
图1是包括表示本发明第一实施例的总体剖视图的视图。
图2是表示扩散燃烧系统的剖视图。
图3是表示预混合燃烧系统的剖视图。
图4(a)是本发明第一实施例的喷嘴部分的剖视图。
图4(b)是图4(a)的侧视图。
图5(a)是详细表示本发明第二实施例的喷嘴部分的剖视图。
图5(b)是图5(a)的侧视图。
图6(a)是详细表示本发明第三实施例的喷嘴部分的剖视图。
图6(b)是图6(a)的侧视图。
图7(a)是详细表示本发明第四实施例的喷嘴部分的剖视图。
图7(b)是图7(a)的侧视图。
图8(a)是详细表示本发明第五实施例的喷嘴部分的剖视图。
图8(b)是图8(a)的侧视图。
图9(a)是详细表示本发明第六实施例的喷嘴部分的剖视图。
图9(b)是图9(a)的侧视图。
图10是详细表示本发明第七实施例的喷嘴部分的剖视图。
图11是详细表示本发明第八实施例的喷嘴部分的剖视图。
最佳实施例的说明
首先将介绍燃气轮机燃烧器的两种燃烧系统。
(1)在扩散燃烧系统中，如图2所示，燃料在布置于燃烧器头部的空气涡旋器出口附近向外喷射，从而与涡旋气流相交，在中心轴上产生环流，从而稳定扩散焰。
在图2中，由压气机10送出的空气50从外壳体2和燃烧器衬垫3之间经过，一部分空气流入燃烧室1作为稀释空气32，该稀释空气32促进冷却空气31和燃气在燃烧器衬垫内混合，另一部分空气作为头部涡旋空气49而通过空气涡旋器12流入燃烧室1。气体燃料16从扩散燃料喷嘴13向外喷入燃烧室1中，以便与涡旋气流相交，并与头部涡旋空气49和主燃烧空气33一起形成稳定的扩散火焰。所生成的高温燃气流入涡轮18并作功，然后排出。
这里所示的扩散燃烧系统有很高的燃烧稳定性，但是火焰形成于燃料和氧气之比达到化学当量比的区域内，使得火焰温度升高到接近绝热火焰温度。因为当火焰温度升高时，氮氧化物的形成速率按指数规律增加，扩散燃烧通常排出大量的氮氧化物，从控制空气污染的方面来说不希望这样。
(2)另一方面，预混合燃烧系统用于降低NOx量。图3表示了一个实例，其中，中心部分采用燃烧稳定性良好的扩散燃烧，外周侧采用NOx排量低的预混合燃烧，以降低NOx量。在图3中，从压气机10送出的空气50从外壳体2和燃烧器衬垫3之间经过，一部分空气流入燃烧室1作为用于燃烧器衬垫以及燃烧器衬垫内的燃气的冷却空气31，另一部分空气流入预混合室23作为预混合燃烧空气48。剩余的空气流入燃烧室1，从而流过预混合室1通道和燃烧器端板之间的通道，然后流过燃烧空气孔14和冷却空气孔17。用于扩散燃烧的气体燃料16通过扩散燃料喷嘴13喷入燃烧室1内，从而形成稳定的扩散焰4。预混合气体燃料21通过燃料喷嘴8喷入环形预混合室23，从而与空气混合，以便成为预混合空气燃料混合物22。该预混合的空气燃料混合物22流入燃烧室1以形成预混合焰5。所生成的高温燃气送向涡轮18并作功，然后排出。
不过，当采用该预混合燃烧系统时，预混合燃烧所特有的不稳定因素将使得火焰进入预混合室和烧坏该结构，或者导致产生回火现象。
在本发明的实施例中，燃料喷射通道和燃烧空气流动通道布置成同轴，以便形成同轴射流，其中，空气流包围着燃料流，且该燃料喷射通道和燃烧空气流动通道还布置在燃烧室的壁表面上，以便形成多孔同轴射流，且该多孔同轴射流布置成能使大量的同轴射流散射。而且，该实施例布置成这样，即一部分或全部同轴射流能够以合适的涡旋角环绕燃烧器的轴线流入。而且，它布置成这样，即燃料供给系统分成多个部分，这样，当该燃气轮机启动操作和部分负载操作时，仅有该系统的一部分进行燃料供给。
在空气流包围燃料的同轴射流形式中，燃料流入燃烧室，并与周围的同轴空气流混合，从而形成有合适化学当量混合比的预混合空气燃料混合物，然后再与高温气体接触和开始燃烧。因此，可以进行与贫油预混合燃烧等价的低NOx燃烧。这时，与普通预混合燃烧器的预混合管对应的部分非常短，在壁表面附近的燃料浓度几乎为零，这使得发生由于回火而引起的停止燃烧的可能性非常小。
而且，通过提供这样的结构，即一部分或全部同轴射流以合适涡旋角环绕燃烧器轴线流入，不管同轴射流的形式如何，都可以同时形成回流，以便使火焰稳定。
而且，通过在燃气轮机启动操作和部分负载操作时仅由系统的一部分供给燃料，从而保证燃烧稳定，因此使得燃料局部浓度过高，并通过类似于扩散燃烧的机理来使燃料燃烧，该扩散燃烧利用周围空气中的氧。
第一实施例
下面将参考图1介绍本发明的第一实施例。在图1中，从压气机10送出的空气50从外壳体2和燃烧器衬垫3之间经过。一部分空气50作为燃烧器衬垫3的冷却空气31流入燃烧室1。另外，剩下的空气50作为同轴空气从内柱体2a的内部通过空气孔52流入燃烧室1。
燃料喷嘴55和56布置成与燃烧空气孔52同轴或几乎同轴。燃料53和燃料54作为与燃烧空气几乎同轴的射流而通过供给通路55a、56a从燃料喷嘴55和燃料喷嘴56喷入燃烧室1内，从而形成稳定的火焰。所生成的高温燃气送入涡轮18并作功，然后排出。
在该实施例中，对于燃料53和燃料54，有控制阀80a的燃料供给系统80被分隔开。也就是，该燃料供给系统80被分隔成第一燃料供给系统54b和第二燃料供给系统53b。该第一燃料供给系统54b和第二燃料供给系统53b分别有可单独控制的控制阀53a和54a。该控制阀53a和54a布置成这样，即各阀根据燃气轮机的负载单独控制各燃料流量。其中，控制阀53a能够控制在中心部分的燃料喷嘴组56的流量，控制阀54a能够控制燃料喷嘴组55的流量，该燃料喷嘴组55为周围的燃料喷嘴组。本实施例包括：多个燃料喷嘴组，一个在中心部分的燃料喷嘴组和一个周围的燃料喷嘴组；与各燃料喷嘴组对应的燃料供给系统；以及控制系统，该控制系统能够如上所述单独控制各燃料流量。
下面将参考图4(a)和4(b)详细介绍喷嘴部分。在本实施例中，燃料喷嘴本体分成中心燃料喷嘴56和周围燃料喷嘴55。在燃料喷嘴55和56的沿喷射方向的前侧有相应的空气孔52和57。都是小直径的大量空气孔52和57在盘状部件52a上。提供有大量空气孔52和57，以便与大量燃料喷嘴55和56相对应。
尽管空气孔52和57的直径很小，但是优选是使该孔形成这样的尺寸，即当从燃料喷嘴55和56喷出的燃料经过空气孔52和57时，将能够伴随着周围的空气而形成燃料射流和包围该燃料射流的环形空气流。例如，优选是该直径稍微大于从燃料喷嘴55和56喷出的射流直径。
空气孔52和57布置成与燃料喷嘴55和56一起形成同轴射流，且大量同轴射流从空气孔52和57的端表面喷出，在该同轴射流中，环形空气流包围燃料流。也就是，燃料喷嘴55和56的燃料孔布置成与空气孔52和57同轴或几乎同轴，且该燃料射流在空气孔52和57的进口中心附近喷射，从而使该燃料射流和周围的环形空气流形成同轴射流。
因为燃料和空气布置成形成大量小直径的同轴射流，燃料和空气能够在很短距离混合。因此，没有不合适的燃料分配，并能保持很高的燃烧效率。
而且，因为本实施例的结构促进了燃料在从空气孔的端表面喷射之前的部分预混合，因此可以认为该燃料和空气能够在短得多的距离中混合。而且，通过调节空气孔通道的长度，可以将在该通道中几乎不产生混合的状态调节到在该通道中几乎完全预混合的状态。
而且，在本实施例中，使中心燃料喷嘴56和中心空气孔57有合适的涡旋角，从而产生环绕燃烧室轴线的涡旋。通过使相应的空气孔57有涡旋角以便产生环绕燃烧室轴线的涡旋分量，由于该涡旋，能够在包括中心燃料的空气燃料混合物流中形成稳定的回流区，从而使火焰稳定。
而且，本实施例可以认为对燃气轮机的各种负载状态非常有效。通过利用图1中所示的控制阀53a和54a来调节燃料流量，可以使燃气轮机在各种负载状态下工作。
也就是，在低燃气轮机负载状态下，燃料流量与总空气容积之比很小。这时，通过仅供给中心燃料53，在中心区域的燃料浓度水平能够保持为高于形成稳定火焰所需的水平。而且，在高燃气轮机负载状态下，通过供给中心燃料53和周围燃料54，可以总体形成贫油的低NOx燃烧。而且，在中间负载状态下，通过将中心燃料53容积与从空气孔57流出的空气容积的当量比值设置为大于1，可以以类似于扩散燃烧的方式工作，该扩散燃烧利用周围的空气进行燃烧。
因此，根据各种燃气轮机负载，能够使火焰稳定和进行低NOx燃烧。
如上所述，通过布置成空气流包围燃料的同轴射流，燃料例如燃烧室，并与周围的同轴空气流混合，从而形成有合适化学当量混合比的预混合空气燃料混合物，然后与高温气体接触的开始燃烧。因此，可以进行与贫油预混合燃烧等效的低NOx燃烧。这时，与普通预混合燃烧器的预混合管相对应的部分非常短。
而且，在壁表面附近的燃料浓度几乎为零，这使得发生由于回火而引起的停止燃烧的可能性非常小。
如上所述，本实施例可以提供一种具有低NOx排出量和良好燃烧稳定性的燃气轮机燃烧器，以及一种该燃气轮机燃烧器的操作方法。
第二实施例
图5(a)和5(b)详细表示了第二实施例的喷嘴部分。在该实施例中，有单个燃料系统，该单个燃烧系统没有分隔成中心部分和周围部分。而且，在中心部分的喷嘴和燃烧空气孔没有涡旋角。在由于操作原因或燃料类型而使得燃烧稳定性不重要时，本实施例能够简化该喷嘴结构。
第三实施例
图6(a)和6(b)表示了第三实施例。该实施例布置成这样，即多个图5中所示第二实施例的喷嘴组合形成一个燃烧器。也就是，多个模件组合形成一个燃烧器，各模件由燃料喷嘴和空气孔构成。
如第一实施例所述，该结构能够提供多个燃料系统，从而能够柔性处理涡轮负载的变化，还可以很容易地通过增加和减少喷嘴的数目而使每一个燃烧器有不同能力。
第四实施例
图7(a)和7(b)所示为第四实施例。该实施例基本与第二实施例相同，不过，区别点为通过空气涡旋器58而使同轴射流自身有涡旋分量。
该结构能促进各同轴射流的混合，这可以更均匀地进行低NOx燃烧。使得燃料射流有涡旋分量的燃料喷嘴结构也能促进混合。
第五实施例
图8(a)和8(b)所示为第五实施例。该实施例的区别点为用普通扩散燃烧器61代替安装在第三实施例中心轴上的喷嘴，该普通扩散燃烧器61包括空气涡旋器63和分别与该涡旋器相交的燃料喷嘴孔62。
在本结构中，在启动、加速和部分负载时利用普通扩散燃烧的燃烧器，当启动稳定性还重要时，本实施例很有利。
第六实施例
图9(a)和9(b)所示为第六实施例。该实施例有在图8(a)和8(b)所示实施例的扩散燃烧器61中的液体燃料喷嘴68和喷射空气喷嘴69，这样，液体燃料能够通过喷射空气65而雾化，从而进行液体燃料燃烧。尽管从低NOx排出量方面考虑本实施例并不是很好，但是本实施例使得燃烧器能够根据燃料供给状态而柔性工作。
第七实施例
图10所示为第七实施例。该实施例除了图1和图4(a)和4(b)所示第一实施例外，还在燃烧器下游侧提供了辅助燃料供给系统71、集管72和喷嘴73。从喷嘴73喷射的燃料作为穿过空气孔74的同轴射流而流入燃烧室中，且通过从上游侧流出的高温气体而促进燃烧反应。
尽管该布置方式使得结构负载，但是它能提供能够更柔性地响应负载的低NOx燃烧器。
第八实施例
图11所示为第八实施例。在该实施例中，图5(a)和5(b)所示实施例的各燃料喷嘴制成双结构，这样，液体燃料66供给内部液体燃料喷嘴68，喷射空气65供给外部喷嘴81。该结构能够在使用液体燃料66时形成大量的同轴射流，从而在几乎不会回火的情况下实现低NOx燃烧。
而且，通过停止液体燃料的供给和将气体燃料代替喷射空气而供给，它还可以作为气体燃料的低NOx燃烧器。因此，能够提供一种能处理液体燃料和气体燃料的燃烧器。
如上所述，通过使一部分或全部燃料喷嘴构成双结构以便能够交替或组合喷射液体燃料和气体燃料，从而能够处理液体和气体燃料。
因此，根据上述实施例，通过布置有大量空气流包围燃料的同轴射流，燃料流入燃烧室，并与周围的同轴空气流混合，从而形成具有合适化学当量混合比的预混合空气燃料混合物，然后与高温气体接触和进行燃烧。因此能够进行等效于贫油预混合燃烧的低NOx燃烧。这时，与普通预混合燃烧器的预混合管对应的部分非常短，且在壁表面附近的燃料浓度几乎为零，这使得由于回火而引起停止燃烧的可能性非常低。
本实施例能够提供一种具有低NOx排出量和良好燃烧稳定性的燃气轮机燃烧器，并提供了该燃气轮机燃烧器的操作方法。

Claims (11)

1.一种燃气轮机燃烧器，有燃烧室，燃料和空气供给到该燃烧室内，其中，燃料和空气作为大量同轴射流供给到所述燃烧室内，每一同轴射流由一燃料射流和一与燃料射流同轴的空气射流组成。
2.一种燃气轮机燃烧器，包括用于将燃料喷射到燃烧室内的燃料喷嘴和用于将空气喷射到所示燃烧室内的空气孔，其中，该燃料喷嘴和空气孔布置成这样，即该燃料和空气作为大量同轴射流喷射到所述燃烧室内。
3.一种燃气轮机燃烧器，包括燃料喷嘴、空气孔和燃烧室，其中，该该燃料和空气作为大量小直径的同轴射流喷射到所述燃烧室内。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧器，其中：燃料喷嘴的燃料孔布置成与空气孔同轴或几乎同轴，燃料射流朝着空气孔进口中心附近喷射，且燃料射流和包围该燃料射流的环形空气流作为同轴射流而从空气孔的出口喷射到燃烧室内。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧器，其中：大量的燃料喷嘴被分成多个燃料供给系统，控制系统能够根据燃气涡轮的负载而单独控制各燃料的流量。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧器，其中：在大量燃料喷嘴中的一部分或全部燃料喷嘴和相应的空气孔有涡旋角，该涡旋角提供了环绕燃烧器轴线的涡旋分量。
7.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧器，其中：燃料喷嘴的燃料孔布置成与空气孔同轴或几乎同轴，燃料射流朝着空气孔进口中心附近喷射，且燃料射流和包围该燃料射流的环形空气流作为同轴射流而从空气孔的出口喷射到燃烧室内，以及
多个模件组合形成燃烧器，各模件包括燃料喷嘴和空气孔。
8.根据权利要求3至7中任意一个所述的燃气轮机燃烧器，其中：有使得各空气孔或燃料喷嘴有环绕各轴线的涡旋分量的机构。
9.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧器，其中：一部分或全部燃料喷嘴构成双结构，这样，能够交替或组合喷射液体燃料和气体燃料。
10.一种操作具有燃烧室的燃气轮机燃烧器的方法，燃料和空气供给到该燃烧室内，其中，燃料和空气作为大量同轴射流供给到所述燃烧室内，每一同轴射流由一燃料射流和一与燃料射流同轴的空气射流组成。
11.一种操作具有燃烧室的燃气轮机燃烧器的方法，燃料和空气供给到该燃烧室内，其中，提供有大量用于喷射燃料的燃料喷嘴，该燃料喷嘴被分成多个燃料供给系统，各燃料的流量可根据燃气涡轮的负载而单独进行控制，且该燃料和空气作为大量同轴射流而被供给。
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